二维直流伺服分度头设计.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 二维直流伺服分度头设计 英文题目 学学 生生 姓姓 名名Xxx 专专 业业机械电子工程机械电子工程 学学 号号44446646466 指指 导导 教教 师师 学学 院院学院学院 20102010 年年 6 6 月月 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 摘要摘要 近几年来 制造业引起了全世界的重视 成为国家综合实力的象征 我国 制造业起步较晚 由于技术的封锁 制造业整体技术水平与先进发达国家存在 很大的差距 在努力成为世界制造中心而非加工中心的背景下 发展具有独立 知识产权的高性能先进机床的意义重大 数控机床日益向高速度 高精度和高 复合的方向发展 其机构日趋复杂 对其工作性能的要求越来越高 现代 5 轴 数控机床能为制造业提供更高生产率 更好设备柔性和零件加工质量 制造业 需要 5 轴数控机床日益迫切 本课题的主要任务是设计二维直流伺服分度头来 实现数控加工中心的 5 轴联动 关键字关键字 5 轴数控机床 分度头 直流伺服系统 高精度 Abstract In recent years the industry has caught the world s attention becoming the symbol of national comprehensive strength Our manufacturing startting evening because of the blockade there is a great gap in manufacturing technology and advanced technical level of developed countries In an effort to become the manufacturing center rather than under the background of machining center With independent intellectual property development of high performance advanced machine is of great significance Nc machine tools is developing to high speed high precision And the complexity of the organization the performance of the demand is higher and higher Modern 5 axis nc machine tool can provide higher productivity better manufacturing equipment and parts processing quality of flexible the need of industry 5 axis CNC machine is increasingly urgent The main task of this topic is designning two dimensional dc servo dividing head to realize the nc machining center with 5 axis linkage Keyword 5 axis NC machine tools dividing head dc servo system high precision 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 选题的背景 1 1 2 课题的提出及意义 1 1 3 五轴联动数控机床的国内外研究状况及分析 2 第二章第二章 课题研究的内容和技术路线课题研究的内容和技术路线 8 2 1 五轴联动机床的总体布局 8 2 2 数控分度头的工作原理 9 2 3 数控分度头研究重点 11 第三章第三章 数控分度头的结构设计数控分度头的结构设计 16 3 1 选择直流电动机 16 3 2 计算总传动比和各级传动比的分配 17 3 3 传动零件的设计计算 19 3 4 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算 26 3 5 箱体的设计计算 31 3 6 键等相关标准的选择 32 3 7 光电编码器 32 3 8 计算机控制系统 34 结论和展望结论和展望 36 参考文献参考文献 37 致谢致谢 39 附录附录 40 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第一章第一章 绪论绪论 1 1 选题的背景选题的背景 近年来 随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要 对高档的数控机 床提出了急迫的大量需求 机床是一个国家制造业水平的象征 加工中心是一 种功能齐全的数控机床 它柔性大 加工精度高 但是机床价格也非普通机床 可比的 而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统 从某种意义 上说 反映了一个国家的工业发展水平状况 三轴加工中心能够加工简单的曲 面 如模具型腔 竖直曲面等 但是由于可控轴数少 在一次装夹后只能完成 六面加工中的一面 其它几面要重新装夹后才能加工 对一些较为复杂的连续 曲面工作效率很低或者根本无法加工 5 轴数控机床除和 3 轴数控机床一样具有 XYZ 三个直线运动坐标外 通常 还有两个回转运动坐标 在其连续加工过程中可连续调整刀具和工件间的相对 方位 分度头是普通机床的常见附件 可以实现两个方向的角度调整 将分度 头用在三轴加工中心上 能够在很大程度上弥补机床轴数少的缺点 可以扩大 加工中心的工作范围 在数控铣床中 通过直流伺服系统的反馈系统来提高分 度头的精度 1 2 课题的提出及意义课题的提出及意义 今年来 在模具加工行业中 各生产厂家一直在不断寻求一种较具完美的 加工方式来替代传统的电腐蚀成型加工方法 以避免工件因电加工而产生的微 观裂纹 电腐蚀成型加工对于深型腔 深槽 窄缝的加工具有一定的优势 但 对于细微复杂的型腔 花纹或图案型腔及大型面 高光洁度的加工存在一定的 难度 同时有加工工序多 加工时间长等缺点 而数控铣床的高速铣削方式在 模具加工的这些方面具有很大的优势 随着高硬度材料加工的刀具技术的发展 高速数控铣床在模具加工中的应用越来越广泛 随着模具工业对加工表面要求 的提高 要求切削速度越来越高 于是具有高效的粗铣半精铣加工能力的数控 雕铣机纷纷面市 其同时具有高表面加工质量的精雕细刻功能 使高效率和良 好表面质量得到有机统一 然而现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工 球头 铣刀在模具加工中带来的好处非常明显 但在使用球头刀具切削加工时 旋转 中心的线速度为零 使得加工型型腔底部曲面变得异常困难 无法达到粗糙度 的要求 严重影响了加工质量 而且现有的三轴数控铣床 往往只能够进行平 面加工或者简单的立面加工 无法实现机械上多维度的曲面加工 无法实现机 械上多维度的曲面加工的要求 分度头是普通机床常用的附件 可以实现两个方向的角度调整 通过旋转 分度盘轴可以实现零件 360 范围内的回转 通过旋转另一轴可以实现零件 120 围内的回转 将分度头用在三轴加工中心上 能够在很大程度上弥补机床 轴数少的缺点 可以扩大加工中心的工作范围 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 五轴数控机床可用于加工许多型面复杂的特殊关键零件 对航空 航天 船舶 兵器 汽车 电力 模具和医疗器械等制造业的快速发展 对改善和提 升诸如飞机 导弹 发动机 潜艇及发电机组 武器等装备性能都具有非常重 要的作用 五轴数控机床已成为装备制造业和先进国防武器装备产品快速研发 与实现的关键基础性设备 数控设备柔性化 高速化与集成化一直是工业界努力追求的目标 并已成 为是 21 世纪数控设备发展的趋势 最近几年在宇航 汽车等制造业 高速 5 轴 数控机床不仅以单机网络化运行方式得到广泛应用 同时面对要求缩短产品上 市时间 降低生产成本和改善产品质量等诸多压力 制造商更多采用高速 5 轴 加工中心机床来构成柔性加工单元或柔性化生产线来实现中 小批量复杂产品的 生产 并已明显成为一种发展趋势 分度头是机械加工中常用的一种工艺装备 而数控分度头作为机电一体化 的典型产品 既有先进性 又有实用性 在三轴数控加工中由数控分度头作为 第四第五轴实现五轴联动对复杂曲面的加工 1 3 五轴联动数控机床的国内外研究状况及分析五轴联动数控机床的国内外研究状况及分析 数控技术本质就是为了解决复杂结构零件加工而出现的 在上世纪 60 年 代中就已有五 轴数控机床在航空飞机制造厂中运行 尽管在如航空等制造业中 应用五轴数控机床已有 30 多年的历史了 但是大约在 10 多年前 制造业工厂 配置这类机床的数量也还是比较少的 那时五轴和三轴数控机床比例大约为 1 9 2 8 且主要集中在军工制造业 通常作为 3 轴数控机床无法加工的 3D 空 间曲面零件加工的关键设备来使用 一般中小型制造企业很少能拥有五轴数控 机床数控分度头的市场 主要被大陆和台湾地区的生产厂家所占领 少量高端产品 由日本公司占领 国内产品主要以中档产品为主 如烟台环球机床附件集团有限 公司 近年来 他们除在产品规格上向两头延伸满足用户需求外 还开发了一系列 个性化较强的产品 如数控可倾转台 两坐标联动 配油 气 转台 全封闭转台 用于电加工机床 交换工作台等 配套的数控机床在汽车 摩托车 军工 航天 等领域得到广泛的应用 取得了良好的经济效益和社会效益 近 10 多年来世界市场发生了根本性变化 制造企业为适应全球化市场的 多变性 顾客需求多元性和个性化 已从传统的大批量生产模式转向定制生产 模式 从传统产品机械自动化生产转向产品全数字化生产 Fully e Manufacturing 快速研发和实现具有创新性的产品已成为企业面临的巨大挑战 所有这些都极大进了制造业 特别是宇航制造业 迫切需要更多地转向采用 5 轴数控机床来解决复杂产品加工的快捷性 高柔性 高生产率和高质量 取得 产品快速研发和实现产品全数字化生产 产品零件结构日趋复杂 制造业为满足产品先进技术性能指标和用户特 定要求 导致当前及未来设计的产品零件结构日趋复杂 典型示例如新一代飞 机 为满足空气动力学的要求需要双曲面复杂机翼壁板整体结构件和复杂的梁 框 肋整体结构件 发动机压气机与涡轮机的具有空间曲面叶片或整体叶轮零 件等 加工这些复杂 3D 空间构件多需要 5 轴数控机床 靠 3 轴数控机床加工 再加手工打磨或其它补充加工方法 在生产率 精度 质量等方面都已不能满 足制造业在生产复杂产品时对制造技术所提出的要求了 同时 在 3 轴数控机 床上加工原本需要 5 轴数控机床加工的复杂零件 不仅低效率 费时 而且费 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 用反而增高 对零件精度 粗糙度等质量要求日益提高 面对激烈竞争的全球化市场 制造业所面临快速 高效研发和实现具有创新性产品的压力越来越大 促使制 造业将更快速走向采用产品全数字化生产 其结果导致对产品零部件制造加工 精度 粗糙度等质量要求日益提高 制造业面临快速低费用加工的压力日益增高 工业实践已证明 加工大 型复杂零件和多工序加工 不仅加工周期长 而且零件装夹 测量和校正作业 成本很高 占用机床时间长 增加了生产过程管理的难度 导致制造企业面临 快速低费用加工的压力日益增高 一次装夹加工完成 加工工艺策略显得越来 越重要了 已被众多制造企业 特别是航空 航天和汽车等制造业所采用 而 实现这种目标就需要 5 轴数控机床或复合数控机床作为基础和前提 发展数字化制造技术的需求 随制造业数字化技术的发展 数字模型和 3D 模型化产品 零件 对一个现代制造企业已是必不可少的 实现产品全数字 化生产已成制造企业发展的战略目标 包括实现产品数字化总装配在内的产品 全数字化生产对零件加工精度 粗糙度 相关联的尺寸精度等提出了更高要求 采用 5 轴数控机床能更好地构建集成数字化设计 制造环境 适应产品全数字化 生产的要求 应用 5 轴数控机床益处多多 工业实践证明 应用 5 轴数控机床加工 产品确实能给制造企业带来许多益处 极大推动了更多制造企业对 5 轴数控机 床提出需求 一些具有复杂空间曲面零件的制造加工 没有 5 轴数控机床将是无法加工 或是很难取得令人满意的加工精度和质量结果 一个极有说服力的例证是 前 苏联国家在上世纪 80 年代初靠从日本东芝公司进口的六台大型 5 轴数控铣床 用于核潜艇螺旋桨的加工 结果极大改善了精度和表面粗糙度 使核潜艇的噪 声大为降低 造成美国的声纳检测器无法追踪苏联潜艇 并由此引发了美 日 苏间的有名的 东芝事件 因此 采用 5 轴数控机床才是 3D 空间曲面零件 切削加工的最佳选择 对提高军工 宇航 船舶 汽车和电力等行业的产品制 造能力和竞争力具有明显的优势 加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心 立式加工中心 三轴 最有效的加工面仅为工件的顶面 卧式加工中心借助回转工作台 也只能完成 工件的四面加工 目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展 五轴联动 加工中心有高效率 高精度的特点 工件一次装夹就可完成五面体的加工 如 配置上五轴联动的高档数控系统 还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工 更能够适宜象汽车零部件 飞机结构件等现代模具的加工 立式五轴加工中心 这类加工中心的回转轴有两种方式 一种是工作台回转轴 设置在床身上的工 作台可以环绕 X 轴回转 定义为 A 轴 A 轴一般工作范围 30 度至 120 度 工 作台的中间还设有一个回转台 环绕 Z 轴回转 定义为 C 轴 C 轴都是 360 度 回转 这样通过 A 轴与 C 轴的组合 固定在工作台上的工件除了底面之外 其 余的五个面都可以由立式主轴进行加工 A 轴和 C 轴最小分度值一般为 0 001 度 这样又可以把工件细分成任意角度 加工出倾斜面 倾斜孔等 A 轴和 C 轴如与 XYZ 三直线轴实现联动 就可加工出复杂的空间曲面 当然这需要高档 的数控系统 伺服系统以及软件的支持 这种设置方式的优点是主轴的结构比 较简单 主轴刚性非常好 制造成本比较低 但一般工作台不能设计太大 承 重也较小 特别是当 A 轴回转大于等于 90 度时 工件切削时会对工作台带来很 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 大的承载力 矩 另一种是依靠立式主轴头的回转 主轴前端是一个回转头 能自行环绕 Z 轴 360 度 成为 C 轴 回转头上还有带可环绕 X 轴旋转的 A 轴 一般可达 90 度以上 实现上述同样的功能 这种设置方式的优点是主轴加工 非常灵活 工作台也可以设计的非常大 客机庞大的机身 巨大的发动机壳都 可以在这类加工中心上加工 国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件 加工而出现的 随着机床复合化技术的新发展 在数控车床的基础上 又很快 生产出了能进行铣削加工的车铣中心 五轴联动数控机床的应用 其加工效率 相当于两台三轴机床 甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资 大大 节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用 市场的需 求推动了我国五轴联动数控机床的发展 CIMT99 展会上 国产五轴联动数控 机床登上机床市场的舞台 1 3 1 分度头的介绍分度头的介绍 分度头是铣床的重要附件之一 分度头是将工件夹持在卡盘上或两顶尖间 并使其旋转 分度和定位常用来安装工件铣斜面 进行分度工作 以及加工螺 旋槽等 分度头的作用 1 用各种分度方法 简单分度 复式分度 差动分度 进行各种分度工作 2 把工件安装成需要的角度 以便进行切削加工 如铣斜面等 3 铣螺旋槽时 将分度头挂轮轴与铣床纵向工作台丝杠用 交换齿轮 联接后 当工作台移动时 分度头上的工件即可获得螺旋运动 分度头主要用于铣床 也常用于钻床和平面磨床 还可放置在平台上供钳 工划线用 分度头主要有通用分度头和光学分度头两类 如图 1 1 所示 为通 用分度头的实际结构 图 1 1 通用分度头 1 通用分度头按分度方法和功能可分为 3 种 1 万能分度头 用途最为广泛 主轴可在水平和垂直方向间倾斜任意角度 如图 1 2 分度机构由分度盘和传动比为 1 40 的蜗杆 蜗轮副 见蜗杆传动 组成 分度盘上有多圈不同等分的定位孔 转动与蜗杆相连的手柄将定位销插 入选定的定位孔内 即可实现分度 当分度盘上的等分孔数不能满足分度要求 时 可通过蜗轮与主轴之间的交换齿轮改变传动比 扩大分度范围 在铣床上 可将万能分度头的交换齿轮与铣床工作台的进给丝杠相联接 使工件的轴向进 给与回转运动相组合 按一定导程铣削出螺旋沟槽 图 1 2 万能分度头 万能分度头的传动示意图如图 1 3 所示 图 1 3 万能分度头的传动示意图 1 1 1 螺旋齿轮传动 2 主轴 3 刻度盘 4 1 40 蜗轮传动 5 1 1 齿轮传动 6 挂轮轴 7 分度盘 8 定位销 2 半万能分度头 结构与万能分度头基本相同 但不带交换齿轮机构 只 能用分度盘直接分度 不能与铣床工作台联动 3 等分分度头 一般采用具有 24 个槽或孔的等分盘 直接实现 2 3 4 6 8 12 24 等分的分度 有卧式 立式和立卧式 3 种 立卧式的 底座带有两个互相垂直的安装面 主轴可以处于水平或垂直位置 通用分度头 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 的分度精度一般为 60 2 光学分度头 光学分度头 主轴上装有精密的玻璃刻度盘或圆光栅 通过光学或光电系 统进行细分 放大 再由目 镜 光屏或数显装置读出角度值 分度精度可达 1 光学分度头用于精密加工和角度计量 分度头按其传动 分度形式又可分为蜗杆副分度头 度盘分度头 孔盘分 度头 槽盘分度头 端齿盘分度头和其它分度头 包括电感分度头和光栅分度头 按其功能可分为万能分度头 半万能分度头 等分分度头 按其结构形式又有 立卧分度头 可倾分度头 悬梁分度头之分 分度头做为通用型机床附件其结 构主要由夹持部分 分度定位部分 传动部分组成 分度头的使用方法 以万能分度头使用方法为例 万能分度头使用是 手柄转过一转主轴转过 8 度 转过 40 转则主轴回转 8 40 320 度 也就是说我们可以用简单分度法和角度分度法 简单分度法主要用 于需在圆周等分若干分的工件 而角度分度主要用于加工轴类工件上相互形成夹 角而非等分的结构的加工 简单分度法的计算公式为 N 40 Z N 为手柄转数 40 为定数 Z 为工件等分数 1 3 2 数控分度头的发展现状数控分度头的发展现状 在传统的机械工业中 采用的多是手工分度头 它分度精度低 分度柔性 差 操作人员劳动强度大 难以实现自动化生产 随着技术的进步与工业的发 展 对机械设备的自动化程度要求越来越高 加工精度要求也越来越高 数控 分度头的开发与研制 就是为了适应自动化 高精度的要求而发展的 与手工分度头相比 数控分度头自动化程度高 分度柔性大 降低了操作 者的劳动强度 而且 它还能达到很高的分度精度 可以达到许多手工分度头 无法达到的性能指标 因此 应用更加广泛 在 5 轴数控机床或加工中心结构 中 分度头拓展了原来的 3 轴加工 充当第四和第五轴 它实现了中 大型工 件的定位及螺旋切削 能够实现各种产品的多面体的精细加工 数控分度头是一种应用十分广泛的精密圆分度器件 它采用交流伺服电机 驱动 经谐波齿轮减速器降速 由圆光栅角位移传感器进行角度测量获得闭环 反馈信号 由计算机实现闭环反馈控制 交流伺服电动机驱动主轴实现精确的 分度 分度头作为一种广泛应用的机械设备 目前对分度头的研究主要集中在 分度头的精度分析和机械性能改善 分析测量夹具 顶针等带来的误差 以及 示值误差等 分度头的数控技术 数控硬件电路设计 控制策略和方法等 分度头在误差测量方面的应用 测量附件的设计 轴类零件的测量 误差的计 算机处理方案研究 和分度头的数字化改造 光栅位移传感器的结果数显 与 控制器的接口 等方面 印度是传统的机械式分度头生产大国 而对于中高档光学分度头和数字分 度头的生产 中国大陆和台湾占有较大的市场份额 日本则以生产高档数字分 度头为主 目前普遍使用的国产数控分度头的分度精度大约为 15 角秒 下 同 难以满足一些高精度分度工作的加工要求 如工具行业加工高精度花键塞 规 花键拉刀 精密等分板等 纺机行业加工提花针织大圆机的圆筒 加工汽 车 摩托车行业用的滚轧轮和国防工业用的送弹凸轮 电机行业定转子芯片散 热孔的从压定位等 其分度定位误差都要求在 6 左右 如采用国外进口高精 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 度数控分度头 由于价格昂贵 将增大加工成本 国外先进水平的数控分度头一般采用半闭环控制 一伺服电机的编发器作 为位置反馈器件 每转脉冲数为 2500P 日本 NIKKEN 公司 美国 HASS 公司 生产的各种类型的数控分度头的分辨率为 0 001 定位精度为 15 台湾 TANSHING 公司 宝嘉城公司生产的数控分度头的性能指标与日本及美国产品 类似 但其传动间隙无法消除 大多在 0 008mm 以上 德国 REFORM 公司 瑞士 HELL 公司生产的花键磨床及拉刀磨床上随主机整体出售的高精度数控分 度头的分辨率为 0 001mm 等分精度为 3 6 国内不少单位对高精度数控分度头也做了大量理论研究和产品开发工作 如华中理工大学汉口分校在控制算法方面采取多种措施消除分度头的几何误差 使分度头的分度误差达到 10 其数控系统采用以 8031 为 CPU 为数控装置 但无扩展功能 华中理工大学机械学院对高精度数控分度头的研究开展较早 通过采用神经网络方法进行误差补偿 是数控分度头的分度误差达到 15 烟 台机床附件厂引进意大利技术生产数控分度头 采用半闭环控制 分度精度为 20 当前国产数控机床发展迅猛 向高速 高效 高精 柔性化 环保方面发 展 与之相应的机床附件也应随之发展 数控分度头未来的发展趋势是 在规 格上向两头延伸 即开发小规格也开发大规格的分度头 同时注意相关技术的 开发 在性能方面将向进一步提高刹紧力矩 提高主轴转速及可靠性方面发展 要求采用新材料 产品要价格低 操作方便 国产数控车床今后将向中高档发 展 中档采用普及型数控刀架配套 高档采用动力型刀架 兼有液压刀架 伺 服刀架 立式刀架等品种 预计近年来对数控刀架需求量将大大增加 数控分度头的市场 主要被大陆和台湾地区的生产厂家所占领 少量高端产品 由日本公司占领 国内产品主要以中档产品为主 烟台环球机床附件集团有限公 司自 1983 年开始开发数控分度头和数控转台以来 已形成了较为完善的产品体 系和齐全的规格体系 培养出一批具有较强创新能力和开发能力的工程技术人员 和工人技术队伍 有着较为丰富的开发和制造经验 近年来 他们除在产品规格上 向两头延伸满足用户需求外 还开发了一系列个性化较强的产品 如数控可倾转台 两坐标联动 配油 气 转台 全封闭转台 用于电加工机床 交换工作台等 配 套的数控机床在汽车 摩托车 军工 航天等领域得到广泛的应用 取得了良好的 经济效益和社会效益 机床工具行业的发展 依赖于行业技术水平和创新能力的提高 依赖于机床的数控化和产 品快速的升级换代 依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求 由于我 国机床附件厂资金紧张 造成技术创新和技术改造的力度不大 使附件水平的发展严重滞后 成为制约民族机床工业发展的瓶颈 国产配套件在产品质量 性能 结构创新 品牌信誉 外观造型 精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距 但在产品的价格 交货期 和售后服务上占有较大的优势 另外 近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市 场的开发力度 使国内市场竞争态势更加激烈 在今后几年中 我国机床附件厂要发展中档次 品种 在提高产品质量 性能水平和可靠性的同时 跟踪学习发达国家的先进技术 并在产品 创新 提高工艺水平上多下功夫 总结经验 加强产 学 研的结合 走专业化生产的路子 面向 市场 参与竞争 满足生机发展的需要 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第二章第二章 课题研究的内容和技术路线课题研究的内容和技术路线 2 1 五轴联动机床的总体布局五轴联动机床的总体布局 常见的 5 轴数控机床或加工中心结构 主要通过 5 种技术途径实现 双转 台结构 Double Rotary Table 采用复合 A B C 轴回转工作台 通常一个 转台在另一个转台上 要求两个转台回转中心线在空间上应能相交于一点 双摆角结构 Double Pivot Spindle Head 装备复合 A B 回转摆角的主 轴头 同样要求两个摆角回转中心线在空间上应能相交于一点 双摆角结构在 大型龙门式数控铣床上也得到了较多应用 回转工作台 摆角头结构 Rotary Table Pivot Spindle Head 复合 A B C 回转轴电主轴头结构复合电主轴头 通常带 C 回转坐标 360 A B 坐标旋转一定范围 在大型龙门移动式加工中心或铣床上得到最为广泛 的应用 回转工作台 工作台水平倾斜旋转结构在一些紧凑型 5 轴数控加工中心上 得到应用 适合加工一些中小型复杂零件 可见 5 轴数控机床结构相对复杂 制造技术难度大 因而造价高 数控等分 分度头是数控铣床 加工中心 半自动精密铣床及镗床等的主要附件 且实现 分度精度较高 因此经分析适于实现五轴联动的设计 对现有技术的不足 本实用新型提供 了一种具有高精度加工 能够进行复 杂型腔加工的五轴联动数控铣床的分度头 新型的数控铣床包括底座 设置在 底座一侧的立柱 工作台 滑枕以及控制铣床各部件工作的数控单元 工作台 安装在底座的导轨上并沿其滑动 底座上还设有用于驱动工作台 X 轴方向移动 的丝杠 滑枕通过连接板安装在立柱的导轨上并延其滑动 立柱上还设有用于 驱动滑枕 Y 轴方向移动的驱动装置 工作台上设有控制卡具在 C 轴方向旋转的 数控分度头 滑枕内设有控制刀具在 A 轴方向旋转的分度头 本实用新型中 所述驱动滑枕 Y 轴方向移动的驱动装置可以由本领域中普 通的丝杠驱动 本实用新型中 优选地 所述驱动装置为双驱动装置 该驱动 装置由伺服电机 弹性联轴器 滚珠丝杠 固定座以及连接板固定连接的螺母 组成 滚珠丝杠一端通过弹性联轴器与安装在立柱上的伺服电机连接 另一端 与设置在立柱上的固定座连接 滚珠丝杠与螺母配合形成螺旋进给运动副 从 而组成双端伺服电机驱动 驱动中心与横梁的重心位置更加接近 从而保证了 刀具在 X Y 平面内任何区域切削的刚度和精度 这也大大提高了数控铣床的稳 定性 在所述的五轴联动数控机床中 所述立柱与底座为一体的结构 这种设计 不仅确保铣床整体刚性好 而且两者之间不存在安装误差 长时间使用也不会 影响加工精度 该机床利用两个摆头的结构设计 具备了五轴联动的特性 实 现了中 大型工件的定位及螺旋切削 在加工型腔的任意曲面方面表现优异 从而实现各种产品的多面体的精细加工 此外 该铣床在加工中能增加刀具的 有效切削刃长度 减少切削力 提高刀具使用寿命 降低刀具使用成本 具体实施方式 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 下面结合附图对本实用新型做更进一步的解释 图 2 1 某五轴联动数控铣床 如图 2 1 所示 本实用新型所述的一种五轴联动数控铣床 包括底座 1 工 作台 2 立柱 3 连接板 4 滑枕 5 以及用于控制数控铣床各部件工作的数控单 元 工作台 2 安装在底座 1 的导轨上并沿其滑动 底座 1 上还设有用于驱动工 作台 2 在底座 1 的导轨上并延其滑动 底座 1 上还设有用于驱动工作台 2 在 Y 轴方向移动的丝杠 工作台 2 上面固定有进口数控分度头 7 实现机床的 C 轴 方向 360 360 转过 立柱 3 与底座 1 连接成一体 连接板 4 架设在立柱上 的导轨上并通过双驱动装置与立柱 3 连接 连接板 4 在立柱 3 的导轨上并延其 滑动 滑枕 5 与连接板 4 连接并通过 X 轴向驱动装置主轴前后移动 滑枕 5 前 段装有进口数控分度头 6 实现机床刀头的 A 轴方向 120 120 运动 数控 单元控制各个机械部分的运动 所述驱动装置为双驱动装置 该驱动装置由伺服电机 8 弹性联轴器 9 滚 珠丝杠 10 固定座 11 以及与连接板 4 固定连接的螺母组成 滚珠丝杠 10 一端 通过弹性联轴器 9 与安装在立柱 3 上的伺服电机 8 连接 另一端与设置在立柱 3 上的固定 11 连接 滚珠丝杠 10 与螺母配合形成螺旋进给运动副 2 2 数控分度头的工作原理数控分度头的工作原理 数控分度头是一种应用十分广泛的精密圆分度器件 目前普遍使用的国产 数控分度头的分度精度太多约为 l5 角秒 下同 难以满足一些高精度分度工 件的加工要求 如工具行业加工高精度花键塞规 花键拉刀 精密等分板等 纺 机行业加工提花针织太圆机的圆筒 加工汽车 摩托车行业用的滚轧轮和国防 工业用的送弹凸轮 电机行业定转子芯片散热孔的冲压定位等 其分度定位误 差都要求在 左右 如采用国外进口高精度数控分度头 由于价格昂贵 将增大 加工成本 国外先进水平的镗铣数控分度头一般采用半闭环控制 以伺服电机的编码 器作为位置反馈器件 每转脉冲数为 2500P 日本 NHZKEN 公司 美国 HASS 公司生产的各种类型数控分度头的分辨率为 0 001 定位精度为 15 台湾 TANSH G 公司 宝嘉城公司生产的数控分度头的性能指标与日本及美国产品 类似 但其传动间隙无法消除 大多在 0 00 nma 以上 德国 REFORM 公司 瑞士 HELL 公司生产的花键磨床及拉刀磨床上随主机整体出售的高精度数控分 度头的分辨率为 0 001nma 等分精度为 3 6 国内不少单位对高精度数控分度头也做了大量理论研究和产品开发工作 如 华中理工大学汉口分院在控制算法方面采取多种措施消除分度头的几何误差 使分度头的分度误差达到 1 其数控系统采用以 8031 为 CPU 的数控装置 但 无扩展功能 华中理工大学机械学院对高精度数控分度头的研究开展较早 通 过采用神经网络方法进行误差补偿 使数控分度头的分度误差达到 15 烟台机 床附件厂引进意大利技术生产数控分度头 采用半闭环控制 分度精度为 2 汉江工具有限责任公司高能设备技术综合开发公司针对工具行业的生产需 要 与华中数控系统有限公司合作 成功开发了 GKF 一 210 高精度数控分度头 生产应用证明 该分度头完全能满足高精度等分加工要求 目前 该分度头已 通过了湖北省科委组织的产品鉴定 结论为 该产品为国内创新 填补了国内 空白 该产品的开发及应用将对提高我国机械行业高精度等分 特殊等分工件 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 的加工水平起到重要作用 最近几年 我国数控机床呈高速发展 产销两旺的态势 在今后相当长的一 段时间内机床工具行业仍将持续 稳定增长 数控分度类机床附件 数控转台 数控分度头 数控刀架 作为数控机床的主要组成部分 对数控机床的性能 质 量 可靠性起着至关重要的作用 数控分度头的使用 为加工中心和数控铣床提供了回转坐标 通过第四轴 第 五轮驱动转台或分度头完成等分 不等分或连续的回转加工 完成复杂曲面加工 使机床原有的加工范围得以扩大 其主要性能质量指标有以下几个方面 1 分度精度和重复定位精度 2 刹紧力矩的大小 3 密封性能 4 回转定位速度 5 承载能力 6 精度保持性 数控分度头的工作原理 数控分度头是以蜗杆副分度定位 强力电磁刹紧 以伺服电机驱动主轴旋转的具有连续回转或等分分度功能的机床附件 数控分 度头采用 AC 或 DC 伺服器马达驱动 复节距蜗杆涡轮组机构传动 使用油压 环抱式锁紧装置 再加上扎实的刚性密封机构 数控分度头广泛的适用于铣床 钻床及加工中心 配合工作母机五轴操作界面 可作同动五轴加工 数控分度 头与火花机结合 可使用于脚踏车及汽车轮胎模具加工 数控分度头亦可配合 DC AC 单轴伺服控制器 连结至 M 讯号 作等分割加 实现机床对分度类零 部件进行精密加工 也可利用法兰盘安装卡盘 可以主轴理我两种方式安装的 机床工作台上 在五轴联动的加工中心中的实现方法通常有 双转台结构采用 符合回转工作台 双摆角结构装备符合回转摆角的主轴头 和回转工作台 摆头 结构 在这里介绍在数控加工中可使用两个数控分度头 一立装 一卧装加上 辅助支撑板可构成五轴 实现复杂曲面的加工 我们所研制的数控分度头采用直流伺服电动机驱动 经减速器降速 由光 电编码器进行角度测量以获得闭环反馈信号 并由计算机实现闭环反馈控制 直流伺服电动机与主轴同轴安装 分度精度主要由圆感应同步器的精度决定 抗干扰能力强 适合在车间生产条件下使用 光电编码器的安装结构简图如图 2 2 所示 图 2 2 光电编码器安装结构简图 1 电机 2 减速器 3 电磁制动器 4 光电编码器 5 后支承 6 主轴 7 箱体 8 前支承 9 顶尖 2 3 数控分度头研究重点数控分度头研究重点 数控分度装置是在伺服电机的驱动下进行数控分度或连续回转切削加工的 它与普通分度头的最大区别是 普通分度头多用于完成工件的静态分度 分度 头经夹紧后再进行切削加工 即便是通过挂轮驱动来切削大导程的螺旋线 分 度在切削过程中的受力也是单向的 蜗轮蜗杆副以及挂轮传动链的间隙不会对 加工过程造成直接影响 而数控分度装置在切削过程的受力是单向 双向兼有 而且在动态下实现对工件的连续切削加工的 因此对被加工零件 如凸轮 的转角 精度 表面粗糙度要求往往很高 这就对数控分度装置的分度精度和啮合间隙 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 提出了很高的要求 在回转角度进给运动的数控技术中 普遍采用蜗杆机构为主传动 以获得 最小角度进给量 蜗杆机构虽然具有单级传动比大 结构紧凑 传动平稳等特 点 但也存在结构复杂 制造误差环节多 工艺复杂和存在传动间隙与摩擦阻 力等问题 即使利用专门设备 通过精细加工来提高其几何精度 仍然是工作 在滑动摩擦条件下 由于静摩擦具有不连续的非线性特性 不可能用切线逼近 的方法使其线性化 运动表现为粘 滑振动特性 极不稳定 极大地限制了最小 角度进给量的进一步减少 不但开环或半闭环控制精度难以提高 即使采用全 闭环校正控制 也往往因此带来棘手的稳定问题 由半闭环系统控制的最小回 转进给量为 3 6 但标称输出的定位精度却只能达到 30 众说周知 机械设备离不开传动机构 传动机构有多种形式 不同的要求 和条件选用不同的方式传动 用一个输入轴来获得精度较高的几个同步输出轴 的传动系统中 常用蜗轮副进行传动 这种方式同步性好 且输出的个数增减 较容易 但缺点是蜗轮和蜗杆的齿是单面啮合 另一面存在间隙 这个间隙在 传动时造成的误差对精密加工来说是很致命的 特别蜗轮使用后产生磨损 而 且磨损通常是不均匀的 这样就造成了机器的耐久性差 精度随着使用时间的 加长而损失很快的缺陷 如图 2 3 所示 为普通伺服数控分度头的分度结构 图 2 3 谱图伺服数控分度头的分度结构 2 3 1 蜗轮蜗杆副蜗轮蜗杆副 本实用新型的母的是提供一种蜗轮和蜗杆齿面之间初始和使用磨损后均几 乎不产生间隙的自动消间隙的蜗轮传动副 并且不会随着啮合面的磨损针对现有的蜗轮副进行了改进 利用弹簧的弹 性来自动消除蜗轮和蜗杆之间的间隙 特别是一支蜗杆传动几个蜗轮是的传动 间隙 确保实现蜗轮副的设计精度 并且在蜗轮不同程度的磨损仍能可靠的消 除它们之间不同程度的间隙 本实用新型采用的技术方案是通过如下方式完成的 在包括蜗杆 蜗轮和 蜗轮轴的蜗轮副中 将蜗轮垂直于轴线分制成盘状二片叠合后成为一个完整的 蜗轮 其中的一片与蜗轮轴用键销或热套等方式固定连接 另一片则滑动连接 即也能与蜗轮轴相对转动 该滑动连接的涡轮盘与蜗轮轴连接有扭转弹簧 这 样就是附加了相对旋转的力矩使固定涡轮片与滑动涡轮片间的轮齿剪刀口式张 开 从而形成固定蜗轮片与滑动蜗轮片的齿分别与蜗杆齿槽的两个侧面相贴合 还有根据需要单个蜗杆可同时对应匹配啮合的蜗轮是可以有多个的 本实用新型涉及一种自动消间隙的蜗轮传动副 其包括蜗杆 蜗轮轴和制 成盘状的二片叠合而成的 其中的一片蜗轮与蜗轮轴是固定连接 另一片滑动 连接 滑动连接的蜗轮盘与蜗轮轴连接有扭转弹簧 使固定蜗轮片与滑动涡轮 片的轮齿是呈剪刀口式张开的 使得两片蜗轮可以分别与蜗杆的齿槽的两侧面 相抵贴 从而消除了原有蜗轮副的蜗轮和蜗杆啮合单面贴合产生的间隙 特别 是一支蜗杆传动几个蜗轮时的传动间隙 以及随着长时间运行齿面磨损而出现 的间隙 确保了蜗轮副的传动精度 参照图 2 4 a 和图 2 4 b 本实用新 型的自动消间隙蜗轮传动副是由蜗杆 1 固定蜗轮片 2 活动蜗轮片 3 扭转弹 簧 4 销柱 5 和蜗轮轴 6 所构成的 从图中可以看出 两片蜗轮片是一个完整 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 蜗轮的一半 销柱 5 设于活动蜗轮片 3 的外侧面上 扭转弹簧 4 的一头勾住销 柱 5 另一头则伸入蜗轮轴 6 的孔中勾住 由于扭转弹簧的扭力 活动蜗轮片 发生旋转其与固定蜗轮片 2 的齿互相张开成了剪刀式的开口 使固定蜗轮片 2 和活动蜗轮片 3 的两个相反方向的齿面间距加大 以致与蜗杆 1 的齿槽两侧面 相抵贴合 达到无间隙的效果 并且 因为活动蜗轮片 3 始终受扭转弹簧 4 的 附加扭力作用 当蜗轮片的齿面因使用磨损后 固定蜗轮片 2 和活动蜗轮片 3 齿的剪刀口张开角度就会变大 以保持与蜗杆 1 的齿槽侧面贴合 实现了自动 补偿 消除磨损产生的间隙 保证结构精度的关键技术 a b 图 2 4 自动消间隙的蜗轮传动副 2 3 2 主轴的旋转精度主轴的旋转精度 主轴旋转精度的高低 直接影响着光电编码器的测量精度和分度头最终的 分度精度 这是首先应该考虑的问题 现行国家标准中还没有此类分度头的主轴 回转精度要求 参考光栅分度头标准 又考虑到光电编码器的安装要求 最后确 定在轴端 100mm 处的最大径向跳动允差为 2m 为了提高主轴的装配精度 主 轴部件做成整体套装结构 主轴轴承选用 B 级精度 以提高主轴回转精度 为了 保证主轴装配孔的同轴度 采用专用研磨工具进行研磨 2 3 3 电磁制动器的选择电磁制动器的选择 使机械的运动件停止或减速的机械零件 俗称刹车 闸 制动器主要由制 动架 制动件和操纵装置等组成 有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装 置 为了减小制动力矩和结构尺寸 制动器通常装在设备的高速轴上 但对安 全性要求较高的大型设备 如矿井提升机 电梯等 则应装在靠近设备工作部分的 低速轴上 图 2 5 电磁制动器 如图 2 5 所示 为电磁制动器 它是现代工业中一种理想的自动化执行元 件 在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用 具有结构紧凑 操 作简单 响应灵敏 寿命长久 使用可靠 易于实现远距离控制等优点 使机 械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩 制动力矩是设计 选用制动器的依据 其大小由机械的型式和工作要求决定 制动器上所用摩擦 材料 制动件 的性能直接影响制动过程 而影响其性能的主要因素为工作温 度和温升速度 摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性 它主要与系列电机配套 广泛应用于冶金 建筑 化工 食品 机床 舞 台 电梯 轮船 包装等机械中 及在断电时 防险 制动等场合 2 3 4 改善驱动系统改善驱动系统 一般在数控分度头的机构中式利用步进电机驱动的 如果采用性能更好 精度更高的直流或交流伺服系统取代步进电机驱动 并进行全闭环控制 会全 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 面改善装置的性能 采用更高的工作质量 由于直流伺服驱动装置具有精度高 具有较长时间的大过载能力以满足低速大转矩的要求 调速范围宽 转矩波动 小且能承受频繁振动制动和反转的有点 因此本系统采用直流伺服驱动装置 因此本设计采用直流伺服系统 2 3 5 检测误差的校正检测误差的校正 为进一步提高定位精度 可以在输出轴上安装机械零位信号装置 借助高精度正多面棱 体用自准直平行光管法 测取角位置检测系统的误差序列 经处理制成补偿曲线数据表 存 于控制器中 在工作过程中 通过校正算法予以补偿 提高检测精度和分度控制定位精度 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第三章第三章 数控分度头的结构设计数控分度头的结构设计 3 1 选择直流电动机选择直流电动机 3 1 1 选择电动机的类型选择电动机的类型 在五轴联动数控机床加工中心中 常用的驱动系统有步进电动机 直流伺 服电动机和交流伺服电机 步进电机用在开环传递系统中 在数控分度头中要 求要求电动机的转速和工作状态根据指令信号而改变的闭环传递 且直流伺服 电机有以下特点 有尽可能宽的调速范围 且转矩惯量比大 过载能力强 良好的低速平稳性 机械特性的硬度数值尽可能大 直流电动机结构简单 并且考虑到数控分度头的驱动需要小功率 为减少成本 因此选用 Z3 系列小型直流电动机来驱动数控分度的运动 3 1 2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机输出功率 工作机所需的功率 所以 3 2kw aw wW d nT 9550 由电动机至工作机之间的总效率 其中 分别为联轴器 轴承 蜗杆 弹簧 和圆工作台 1 2 3 4 5 6 的传动效率 查表可知 0 99 弹性联轴器 0 98 圆锥滚子轴承 0 73 单头窝 1 2 3 杆 0 90 铸造的开式齿轮传动 4 所以 55 0 96 0 96 0 90 0 73 0 98 0 99 0 4 xxxxx a P 1420 28 9 min 49 1 m w n ir n 3 1 3 确定电动机转速确定电动机转速 主轴的工作转速为 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 r min 60 100060 1000 0 9 49 1 350 V nw D 根据 机械设计基础 中查的蜗杆的传动比在一般的动力传动中 i 60 600 电动机的转速的范围因为 N 20 80 n 20 80 x49 1 982 3928r min 在这个范围内的电动机的同步转速有 1000r min 和 1500r min 3000r min 三 种传动比方案 综合考虑电动机和传动装置的情况来确定最后的转速 为降低 电动机的重量和成本 可以选择同步转速 1500r min 选用通用的电压 220V 额定功率为 3 5kw 所以选用型号额定转矩为 1500r min 的 Z3 41 的直流电动机 3 2 计算总传动比和各级传动比的分配计算总传动比和各级传动比的分配 3 2 1 计算总传动比 计算总传动比 3 2 2 各级传动比的分配各级传动比的分配